Науки о Земле:ответы к экзамену.

1. Предмет, объекты и методы наук о Земле. И 14: состав биогеофизической системы

Науки о Земле охватывают все отрасли знания о нашей планете, являясь в то же время не их суммой, а обобщающей системой, включающей в себя данные фундаментальных наук: физика, химия, астрономия.

Экология – наука о взаимодействии природы и общества, связывающая науки о Земле между собой и биологией и дающая выход в науки о человеке и обществе.

Данные наук о Земле обосновывают и включают в экологическую проблематику. Современная структура «науки о Земле» может быть представлена в обобщённом виде исходя из принадлежности объектов к различным уровням организации от физических полей до биосферы и планеты в целом.

Объекты собственно геолого-географических наук организованы на более высоком уровне, чем физико-химические тела и организмы. К высшим уровням геолого-географической организации относят гео-оболочки и геосферы, соотношение которых определяет структуру предмета наук о Земле. Внутренние оболочки исследуются преимущественно геологическими науками, а внешние географическими.

Почвенная оболочка изучается почвоведением. Органический слой изучается биогеографией – учением о геосфере.

Водная оболочка изучается гидрологией и океанологией.

Воздушная оболочка – метеорологией и климатологией.

Планетология связывает геолого-географические знания с астрономическими.

Все науки о Земле – исторические, так как рассматривают развитие природы. Процессы и явления за миллионы и миллиарды лет.

В этом направлении широко используется геологический метод (изучает типы горных пород); палеонтологический метод (классификация растений и животных); изотопный метод (позволяет определить возраст горных пород, минералов, остатков растений и животных).

В последние время широко внедряются тонкие физические методы (электронная микроскопия, лазерная техника, дистанционные геофизические, геохимические методы). В последнее десятилетие проводились наблюдения на больших глубинах – дистанционные методы.

Наша планета как сложное естественное тело выступает не только исторической, но и динамической системой с многоступенчатыми процессами саморегуляции, а также накопления, хранения и передачи информации.

Основными компонентами Земли, мониторинг которых осуществляется в настоящее время с помощью космических съёмок, является атмосфера (А), гидросфера (Н), криосфера (С), литосфера (L), и биосфера (В). Эти компоненты образуют биогеофизическую систему S (S = AUHUCULUB). Каждый из этих компонентов имеет существенно разные характеристики и связан с другими с помощью самых разнообразных физико-химических процессов.

2. С именами Коперника, Галилея, Кеплера, Декарта, Ньютона связаны выдающиеся открытия эпохи Возрождения.

В своём знаменитом труде «Об обращениях небесных сфер» Н. Коперник (1473— 1543) излагает гелиоцентрическую систему мира, противостоящую признанной системе Птолемея. Он согласен с Птолемеем только в том, что Земля и небесный

свод имеют сферическую форму. В «Малом комментарии относительно установленных гипотез о небесных движениях» Коперник формулирует семь постулатов.

1. Не существует одного центра для всех небесных орбит или сфер.

2. Центр Земли не является центром мира, но только центром тяготения лунной орбиты.

3. Все сферы движутся вокруг Солнца, расположенного в центре мира.

4. Отношение радиуса земной орбиты к радиусу Вселенной меньше, чем отношение радиуса Земли к радиусу земной орбиты. Радиус Земли можно принять за исчезающе малую величину по сравнению с размером Вселенной, но такой же исчезающе малой величиной является земная орбита.

5. Все движения, наблюдаемые у небесной тверди, принадлежат не ей самой, а Земле. Именно Земля с ближайшими к ней стихиями вращается в суточном движении вокруг неизменных своих полюсов, причём твердь и самое высшее небо остаются все время неподвижными.

6. Все замечаемые нами у Солнца движения не свойственны ему, но принадлежат Земле и нашей сфере, вместе с которой мы вращаемся вокруг Солнца, как и всякая другая планета. Таким образом. Земля имеет несколько движений.

7. Кажущиеся прямые и попятные движения планет принадлежат не им, а Земле. Таким образом, одно это движение достаточно для объяснения большого числа видимых в небе неравномерностей.

Николай Коперник утверждает, что Вселенная сравнима с бесконечностью, так же как земная орбита сравнима с точкой. Таковыземная орбита и Вселенная по отношению друг к другу. Он не доказывает бесконечность Вселенной, но допускает эту бесконечность, поскольку такое предположение подкрепляет его идею о вращении Земли.

Взгляды Н. Коперника и его гелиоцентрическая система мира сыграли решающую роль в становлении и развитии астрономии — науки о движении небесных тел и физики — науки о движении в целом.

Галилео Галилей (1564—1642)— итальянский мыслитель, физик, основоположник классической механики, астроном и математик— выступил одним из основателей экспериментального естествознания. Став профессором математики Падуанского университета, он развернул активную научно-исследовательскую деятельность в области механики и астрономии: установил законы движения свободно падающих тел и сформулировал понятие об инициальном движении и механический принцип относительности. Галилей изобрел зрительную трубу, увеличивавшую в 32 раза, которая позволила впервые увидеть пятна на Солнце, кратеры на Луне, спутники Юпитера. Он разглядел бесчисленное скопление звезд, образующих Млечный Путь. В исследовании природных явлений, в частности движения тел, Галилей опирается на эксперимент. Известны его опыты с определением скорости падения тел разной массы, в которых он использовал Пизанскую башню. С его именем справедливо связывают становление механистической картины мира.

Галилео Галилей считал исходным пунктом в познании природы наблюдение, а основой науки — опыт.

Астрономические открытия Галилея стали наглядным доказательством истинности гелиоцентрической системы Коперника и идеи Дж. Бруно о физической однородности Земли и неба. Открытие звёздного состава Млечного Пути явилось косвенным доказательством бесчисленности миров во Вселенной. Свои идеи он изложил в труде «Диалоге о двух главнейших системах мира— Птолемеевой и Коперниковой» (1632). Это сочинение послужило поводом для обвинения его в ереси. Католическая церковь терпела учение Коперника в качестве гипотезы и считала, что доказать его невозможно. Открытия Галилея подрывали прежнюю веру в совершенство космоса. Его труды были включены в список запрещённых книг. В 1633 г. учёный предстал перед судом инквизиции и был вынужден публично отречься от учения Н. Коперника. До конца жизни Г. Галилеи считался узником инквизиции, и только в 1992 г. папа римский Иоанн Павел II объявил решение суда ошибочным и реабилитировал учёного.

Первый закон Кеплера описывает геометрию траекторий планетарных орбит. Возможно, вы помните из школьного курса геометрии, что эллипс представляет собой множество точек плоскости, сумма расстояний от которых до двух фиксированных точек — фокусов — равна константе. Если это слишком сложно для вас, имеется другое определение: представьте себе сечение боковой поверхности конуса плоскостью под углом к его основанию, не проходящей через основание, — это тоже эллипс. Первый закон Кеплера как раз и утверждает, что орбиты планет представляют собой эллипсы, в одном из фокусов которых расположено Солнце. Эксцентриситеты (степень вытянутости) орбит и их удаления от Солнца в перигелии (ближайшей к Солнцу точке) и апогее (самой удаленной точке) у всех планет разные, но все эллиптические орбиты роднит одно — Солнце расположено в одном из двух фокусов эллипса.

Второй закон описывает изменение скорости движения планет вокруг Солнца. Чем дальше от Солнца уводит планету эллиптическая орбита, тем медленнее движение, чем ближе к Солнцу — тем быстрее движется планета. Теперь представьте пару отрезков, соединяющих два положения планеты на орбите с фокусом эллипса, в котором расположено Солнце. Вместе с сегментом эллипса, лежащим между ними, они образуют сектор, площадь которого как раз и является той самой «площадью, которую отсекает отрезок прямой». Именно о ней говорится во втором законе. Чем ближе планета к Солнцу, тем короче отрезки. Но в этом случае, чтобы за равное время сектор покрыл равную площадь, планета должна пройти большее расстояние по орбите, а значит скорость ее движения возрастает.

В первых двух законах речь идёт о специфике орбитальных траекторий отдельно взятой планеты. Третий закон Кеплера позволяет сравнить орбиты планет между собой. В нем говорится, что чем дальше от Солнца находится планета, тем больше времени занимает её полный оборот при движении по орбите и тем дольше, соответственно, длится «год» на этой планете. Сегодня мы знаем, что это обусловлено двумя факторами. Во-первых, чем дальше планета находится от Солнца, тем длиннее периметр её орбиты. Во-вторых, с ростом расстояния от Солнца снижается и линейная скорость движения планеты.

Учение Рене Декарта (1596—1650) о природе получило название картезианской физики. В её основание легли принцип относительности перемещения и взаимодействия, а также космогоническая концепция о естественном происхождении и развитии Солнечной системы, которое обусловлено только свойствами материи и движением её разнородных частиц. Космогоническая гипотеза Декарта известна как теория вихрей. В ней предполагалось наличие во Вселенной материального круга одновременно и совместно движущихся тел. Вселенная, согласно Декарту, имеет три области: первая — вихрь вокруг Солнца, вторая — вихри вокруг звёзд, третья все, что находится вне первых двух областей. Земля вместе со своим вихрем движется по орбите вокруг Солнца, вращаясь вокруг своей оси.

Большое значение наблюдениям и эксперименту придавал Исаак Ньютон (1643 1727) английский математик, механик, астроном, и физик, создатель классической механики, член, а в последующем президент Лондонского королевского общества. Он разработал (независимо от Г. Лейбница) дифференциальное и интегральное исчисления. Открыл дисперсию света, хроматическую аберрацию, исследовал интерференцию и дифракцию, развил корпускулярную теорию света, высказал гипотезу, сочетавшую корпускулярные и волновые представления, построил зеркальный телескоп. Сформулировал основные законы классической механики Открыл закон всемирного тяготения, который лёг в основание теории движения небесных тел — небесной механики. Пространство и время считал абсолютными. Работы Ньютона намного опередили общий научный уровень его времени, были мало понятны современникам.

Ньютоновская механика обобщила модели и законы таких видов механического движения как колебания маятника, свободное падение тел, движение тел по наклонной плоскости, по окружности, движение планет.